The floral transcriptome of ylang ylang (Cananga odorata var. fruticosa) uncovers biosynthetic pathways for volatile organic compounds and a multifunctional and novel sesquiterpene synthase
- 作者
- Jingjing Jin, Mi Jung Kim, Savitha Dhandapani, Jessica Gambino Tjhang, Jun-Lin Yin, Limsoon Wong, Rajani Sarojam, Nam-Hai Chua, In-Cheol Jang
- 单位
- Temasek Life Sciences Laboratory, 1 Research Link, National University of Singapore, Singapore 117604; School of Computing, National University of Singapore, Singapore 117417; Department of Biological Sciences, National University of Singapore, Singapore 117543; Laboratory of Plant Molecular Biology, The Rockefeller University, 1230 York Avenue, New York, NY 10065, USA
- 杂志
- Journal of Experimental Botany（2015）
- DOI
- 10.1093/jxb/erv196
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析矮生依兰（Cananga odorata var. fruticosa）花朵挥发性有机化合物（VOCs）的生物合成途径，特别是萜类化合物的合成，并鉴定负责主要花香成分的萜烯合酶（TPSs）基因。
研究策略
结合GC-MS化学分析和RNA-seq转录组分析，对四个发育阶段的花香成分进行鉴定；通过系统发育分析、亚细胞定位、体外酶活测定和本氏烟草瞬时表达对候选TPS进行功能表征。
核心内容
该研究以矮生依兰花朵为对象，结合气相色谱-质谱分析和RNA-seq转录组测序，系统解析了花香挥发性有机化合物的生物合成途径。在四个花发育阶段共鉴定出49种挥发性成分，成熟黄花中倍半萜占精油总量超过90%，其中α-farnesene、α-bergamotene、germacrene D和β-caryophyllene分别占31.50%、26.79%、13.26%和11.57%。转录组组装获得45,379个unigenes（N50为2016 bp），其中67.3%获得功能注释。通过系统发育分析、亚细胞定位和体外酶活测定，对4个全长萜烯合酶进行了功能表征：CoTPS1和CoTPS4分别以香叶基焦磷酸为底物生成单萜混合物和香叶醇，CoTPS3和CoTPS2则利用法尼基焦磷酸分别生成α-bergamotene以及β-ylangene、β-copaene和β-cubebene，其中CoTPS2被鉴定为新型多功能倍半萜合酶。在本氏烟草中，CoTPS2和CoTPS3仅在与AtHMGR共表达时才能产生相应倍半萜产物。这些结果揭示了依兰花主要香气成分的酶学基础，为萜类化合物的异源生产提供了新的基因资源。
创新点
发现了多功能新型倍半萜合酶CoTPS2，能催化合成β-ylangene、β-copaene和β-cubebene；发现一个属于TPS-b亚家族但功能为倍半萜合酶的CoTPS3，可合成α-bergamotene；构建了依兰花转录组资源。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Cananga odorata var. fruticosa | monoterpene biosynthesis | CoTPS1 | β-thujene/sabinene/β-pinene/α-terpinene synthase | 催化 | multifunctional monoterpene synthase, localized in plastids, uses GPP as substrate |
| Cananga odorata var. fruticosa | sesquiterpene biosynthesis | CoTPS2 | β-ylangene/β-copaene/β-cubebene synthase | 催化 | novel multifunctional sesquiterpene synthase, uses FPP as substrate, cytosolic |
| Cananga odorata var. fruticosa | sesquiterpene biosynthesis | CoTPS3 | α-bergamotene synthase | 催化 | belongs to TPS-b subfamily but acts as sesquiterpene synthase, lacks plastid transit peptide, cytosolic |
| Cananga odorata var. fruticosa | monoterpenoid biosynthesis | CoTPS4 | geraniol synthase | 催化 | TPS-g subfamily, produces geraniol from GPP, plastidial |
| Nicotiana benthamiana | MVA pathway | AtHMGR | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase | 催化 | co-expressed with CoTPS2/3 to increase FPP supply for sesquiterpene production in transient expression assays |
关键发现
- 在四个花发育阶段共鉴定出49种VOCs
- 成熟黄花中超过90%的挥发性精油为倍半萜，其中α-farnesene占31.50%，α-bergamotene占26.79%，germacrene D占13.26%，β-caryophyllene占11.57%
- RNA-seq组装获得45,379个unigenes，N50为2016 bp，67.3%（30,539）获得注释
- 鉴定出16个TPS转录本，其中4个全长TPS被功能表征：CoTPS1从GPP生成β-thujene、sabinene、β-pinene和α-terpinene
- CoTPS4从GPP生成geraniol
- CoTPS3从FPP生成α-bergamotene
- CoTPS2从FPP生成β-ylangene、β-copaene和β-cubebene
- CoTPS2和CoTPS3在本氏烟草中与AtHMGR共表达时分别产生相应倍半萜，而未共表达时不产生。
研究结论
本研究揭示了矮生依兰花VOCs生物合成的关键萜烯合酶，发现CoTPS2为新型多功能倍半萜合酶，转录组数据为后续研究提供了重要资源。